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附件6

山 西 省 煤 炭

優(yōu) 秀 學(xué) 術(shù) 論 文 評(píng) 審 表

論文題目 礦井?dāng)嗔褬?gòu)造的分形預(yù)測(cè)及預(yù)測(cè)精度探討

申報(bào)學(xué)科組             學(xué)科組代碼       

作者姓名  寧喜文    職稱 工程師 年齡  44歲 

工作單位    同煤集團(tuán)同生宏達(dá)煤業(yè)有限公司

職務(wù) 總工

通訊地址 大同市礦區(qū)新平旺同煤大廈1012房間 

郵編 037003

聯(lián)系電話  03527018247（辦）  13835204766 

推薦單位  大同煤礦集團(tuán)公司科協(xié)              

                 2011年12月20日

礦井?dāng)嗔褬?gòu)造的分形預(yù)測(cè)及預(yù)測(cè)精度探討

——以龐莊煤礦張小樓井為例

寧喜文

摘要  對(duì)礦井中的斷裂參數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，斷裂的斷距和長(zhǎng)度具有分形分布的特點(diǎn)，作者計(jì)算并推導(dǎo)出斷裂長(zhǎng)度和斷距預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)公式，據(jù)此可以預(yù)測(cè)某一未開(kāi)采塊段內(nèi)的斷裂長(zhǎng)度和斷距，并提出了提高預(yù)測(cè)精度的修正方法

關(guān)鍵詞  礦井構(gòu)造  構(gòu)造預(yù)測(cè)  分形

斷裂構(gòu)造是礦井中最常見(jiàn)、對(duì)生產(chǎn)影響最大的一類地質(zhì)構(gòu)造。對(duì)礦井、采區(qū)以及工作面內(nèi)的斷裂構(gòu)造進(jìn)行預(yù)測(cè)，不僅對(duì)保證采掘生產(chǎn)部署、提高采煤機(jī)械化程度以及合理開(kāi)發(fā)煤炭資源有著十分重要的意義，而且可以防止和減少受斷裂控制的各種地質(zhì)災(zāi)害。

預(yù)測(cè)就是根據(jù)已知區(qū)的信息和這種信息中固有的規(guī)律來(lái)推測(cè)未知區(qū)的信息。對(duì)于礦井而言，已知區(qū)就是已進(jìn)行開(kāi)拓或回采過(guò)的區(qū)域，其斷裂發(fā)育情況是已知的或部分已知的。未知區(qū)就是未開(kāi)拓掘進(jìn)或沒(méi)有回采的區(qū)域。

分形理論自誕生以來(lái)，在眾多學(xué)科得到了廣泛的應(yīng)用，在地學(xué)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于斷裂網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度評(píng)價(jià)、斷裂系特征分析、巖溶和水系分析、構(gòu)造活動(dòng)性和煤厚變化規(guī)律等，也可用于斷裂預(yù)測(cè)。作者在對(duì)徐州礦業(yè)集團(tuán)龐莊煤礦張小樓井的斷裂構(gòu)造進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)斷裂長(zhǎng)度和斷距的分布具有分形特征，并嘗試應(yīng)用分形理論進(jìn)行斷裂預(yù)測(cè)。為了提高預(yù)測(cè)精度，作者還根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造理論對(duì)預(yù)測(cè)模型提出了修正。

1． 分形和分維

分形（Fractal）一詞是法國(guó)數(shù)學(xué)家B.B.Mandelbrot于1976年創(chuàng)造的，意為“不規(guī)則的、支離破碎的”。Mandelbrot(1986)將分形定義為[4]：“分形是一種形狀，其局部與整體具有某種相似性”。自相似性(self-simirlarity)是分形的一個(gè)重要性質(zhì)，指研究對(duì)象的局部與整體在形態(tài)，功能和信息等方面具有相似性；或者說(shuō)局部是整體的縮影。分形理論揭示的部分包含整體信息、部分與整體相似是自然界的普遍規(guī)律。目前分形理論從研究不規(guī)則的幾何實(shí)體已拓展到研究不規(guī)則的行為“特征”這一廣大領(lǐng)域。

具有自相似性的分形也稱為線性分形，線性分形分為嚴(yán)格分形和統(tǒng)計(jì)分形兩種。嚴(yán)格分形是指數(shù)學(xué)意義上的分形，而地質(zhì)領(lǐng)域則主要采用統(tǒng)計(jì)分形，即具有統(tǒng)計(jì)意義上的自相似性的分形，可用統(tǒng)計(jì)方法求出。

表征分形的一個(gè)重要參數(shù)就是分維(fractal dimension)。分維有許多不同的定義，在斷裂構(gòu)造研究中應(yīng)用最多的是相似維()。對(duì)于某一具有自相似性的研究對(duì)象，若其可以被劃分為個(gè)單元，且每一單元按相似比與整體相似，則定義

2． 礦井地質(zhì)概況

龐莊煤礦張小樓井位于徐州煤田九里山向斜中段張小樓背斜北翼，F(xiàn)₁逆斷層將背斜軸部切割，整個(gè)井田被若干條大中型斷裂切割，構(gòu)造較為復(fù)雜。已揭露的大中型斷裂構(gòu)造共13條，其中正斷層8條，逆斷層5條。

大中型斷裂的走向以北東向?yàn)橹?，少?shù)為北西向。根據(jù)礦區(qū)構(gòu)造研究結(jié)果，大中型逆斷層一般是在燕山早期形成，正斷層則多在燕山中晚期盆地伸展過(guò)程中形成。

    井田內(nèi)小斷裂極為發(fā)育，切割2、7、9煤層的小斷裂分別為359條、362條和204條，總長(zhǎng)度分別為18286米、15865米和10550米。小斷裂展布方向具有明顯的方向性，以北東30～60°和北西20°為主，也有少量為近南北向。這些小斷裂絕大多數(shù)為正斷層，占斷裂總數(shù)的93％以上。并且這些小斷裂具有傾角大、斷距小、延伸短等特點(diǎn)。從其發(fā)育特征來(lái)看，小斷裂明顯受大中型斷裂的控制。

3． 斷裂斷距和延伸長(zhǎng)度的分形分布

在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中形成的斷裂構(gòu)造，規(guī)模越小，則數(shù)量越多，但二者通常并不是呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著斷裂規(guī)模的減小，斷裂數(shù)量迅速增加。斷裂的規(guī)?？捎脭嗑嗪脱由扉L(zhǎng)度表示。對(duì)張小樓井2、7、9煤層已采區(qū)的斷裂構(gòu)造進(jìn)行斷距和延伸長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見(jiàn)表1和表2（斷裂的斷距H和延伸長(zhǎng)度L的單位均為米）。由于大中型斷裂構(gòu)造是在勘探階段揭露，分布于整個(gè)礦區(qū)，而小斷裂數(shù)據(jù)則僅在已掘進(jìn)的巷道或已回采的工作面中獲取，資料的范圍不同，因此，除非整個(gè)勘探區(qū)全部回采完畢，小斷裂資料的范圍與大中型斷裂一致，否則，不應(yīng)將大中型斷裂統(tǒng)計(jì)在內(nèi)。本文中所用的斷裂資料中均不包括大中型斷裂。

表1  張小樓井小斷裂斷距統(tǒng)計(jì)表

    注：由于9煤采面相對(duì)較少，揭露的H≥6米的斷裂條數(shù)受采面分布的影響較大，故舍棄。

表2  張小樓井田小斷裂延伸長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)表

圖1 斷裂斷距與頻度的關(guān)系（橫坐標(biāo)為斷距H，單位：米，縱坐             標(biāo)為斷裂條數(shù)N）

將小斷裂斷距H和斷裂條數(shù)N投到直角坐標(biāo)系中，作出斷距和頻度關(guān)系的散點(diǎn)圖（圖1）,從圖中可以看出，各煤層中小斷裂的斷距和頻度均不是呈直線關(guān)系，而更符合冪函數(shù)分布，可用如下的經(jīng)驗(yàn)公式表示：

N = A×H^－D                             （公式1）

或者

Ln N ＝K － D×Ln H                   （公式2）

式中： N——斷裂條數(shù)

       H——斷裂斷距

       D——分維值

       K、A——常數(shù)

也就是說(shuō)，如果把斷裂斷距和條數(shù)投到雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，所得到的點(diǎn)應(yīng)近似沿一條直線分布（圖2）。分形理論中的一個(gè)經(jīng)典例子就是對(duì)海岸線的測(cè)量，即隨著所用的碼尺（r）的減小，所測(cè)得的海岸線長(zhǎng)度（L）增加，二者的關(guān)系為

L = A×r^－D                             （公式3）

其中D為海岸線的分維值。公式1和2表明，斷裂斷距的分布具有分形特征，D即為這種分布的分維值（相似維）。與求測(cè)海岸線分維值一樣，由于是統(tǒng)計(jì)意義上的自相似，可用回歸分析的方法求出。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，回歸直線斜率的絕對(duì)值即為所要求測(cè)的分維值。

圖2 斷裂斷距與頻度的關(guān)系（對(duì)數(shù)坐標(biāo)，橫坐標(biāo)為斷距H，縱坐標(biāo)為頻度N）

小斷裂的延伸長(zhǎng)度也具有分形分布的特點(diǎn)（圖3），用同樣的方法可求出其分維值。

圖3  斷裂延伸長(zhǎng)度與頻度的關(guān)系（對(duì)數(shù)坐標(biāo)，橫坐標(biāo)為斷裂長(zhǎng)度L，縱坐標(biāo)為頻度N）

經(jīng)過(guò)計(jì)算，求出了各煤層中小斷裂斷距及延伸長(zhǎng)度分布的分維值和相關(guān)參數(shù)，從而得到小斷裂的斷距（H）與頻度（N）、延伸長(zhǎng)度（L）與頻度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)公式（表3）。

由于各預(yù)測(cè)公式是根據(jù)小斷裂資料得出的，有一定的適用范圍，不能任意外推到大中型斷裂或節(jié)理。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析，對(duì)于斷距為1～8米、延伸長(zhǎng)度為20～120米的斷裂進(jìn)行預(yù)測(cè)可靠性較高。

表3  分維值求測(cè)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)公式（統(tǒng)計(jì)面積單位：Km²）

4． 預(yù)測(cè)實(shí)例

表3中的斷裂條數(shù)預(yù)測(cè)公式是針對(duì)相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)面積（S）而言，而對(duì)于某個(gè)具體的面積為S’的工作面，其斷裂條數(shù)N’的預(yù)測(cè)公式為：

N’＝N×S’/S                     （公式4）

例如，要預(yù)測(cè)9煤912工作面內(nèi)斷距大于等于2米的斷裂條數(shù)，可先用表3中9煤斷裂條數(shù)的預(yù)測(cè)公式求出N＝159.79×2^-1.8700 ＝43.71條，然后把S＝0.5575、S’（912工作面面積）＝0.0272代入公式4，即可求出N’＝43.71×0.0272/0.5755＝2.13條。

由于2煤和7煤大部分已回采完畢，而9煤僅回采了6個(gè)工作面，因此對(duì)9煤進(jìn)行預(yù)測(cè)更有實(shí)際意義。當(dāng)斷裂斷距在2米以上時(shí)，對(duì)生產(chǎn)的影響尤為突出?，F(xiàn)將9煤已采各面的預(yù)測(cè)及實(shí)際值列表如下：

從表4中可以看出，各工作面的斷裂條數(shù)預(yù)測(cè)誤差均在30％以下，但多大于20％。造成誤差的主要原因在于預(yù)測(cè)過(guò)程中假定斷裂是均勻分布的（先求出統(tǒng)計(jì)面積內(nèi)斷裂總條數(shù)，再按工作面面積平均分配），而實(shí)際上斷裂的分布并不總是均勻的，一般具有分區(qū)性和成帶性的特點(diǎn)[1]，因此有必要對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。

表4  9煤已采工作面斷距≥2米的斷裂條數(shù)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比

5． 預(yù)測(cè)結(jié)果的修正

首先，必須對(duì)井田內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育的規(guī)律進(jìn)行研究，分析斷裂的展布特征是否具有成帶性、對(duì)稱性、等距性、遞變性、分區(qū)性等特征，以確定斷裂的分布是否均勻。如果斷裂發(fā)育不均勻，就要對(duì)預(yù)測(cè)值進(jìn)行修正。一種簡(jiǎn)單的辦法是求出研究區(qū)內(nèi)勘探階段斷裂的平均密度（面密度）和預(yù)測(cè)塊段所在分區(qū)的斷裂密度，后者除以前者得到修正系數(shù)。更為精確的方法是用斷裂網(wǎng)絡(luò)的分維值進(jìn)行修正。根據(jù)以往的研究，斷裂網(wǎng)絡(luò)的分維值是評(píng)價(jià)斷裂復(fù)雜程度的綜合性指標(biāo)[2,3]，具有其它指標(biāo)無(wú)法比擬的優(yōu)越性。用預(yù)測(cè)區(qū)的分維值除以整個(gè)研究區(qū)的平均分維值即可得到修正系數(shù)。在求出修正系數(shù)后，用原來(lái)的預(yù)測(cè)值乘以修正系數(shù)，乘積即為修正后的預(yù)測(cè)值。

在1：2000的礦井構(gòu)造圖上，把斷裂網(wǎng)絡(luò)劃分為10cm×10cm的網(wǎng)格，并用網(wǎng)格覆蓋法求出各網(wǎng)格中的信息維[2]。所劃分的網(wǎng)格中，信息維的最大值為1.34，最小值為0.83，平均值為1.18。用工作面中所包含的各網(wǎng)格信息維的平均值作為該工作面中斷裂網(wǎng)絡(luò)的信息維，除以所有網(wǎng)格信息維的平均值（1.18），得到各工作面的斷裂條數(shù)修正系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5  修正后的斷裂條數(shù)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比

從表5可以看出，修正后的預(yù)測(cè)條數(shù)與實(shí)際值更為接近，各工作面的預(yù)測(cè)條數(shù)誤差均有不同程度的減小。由于分維值與斷層條數(shù)之間并不是呈線性關(guān)系，這種乘以系數(shù)修正方法取得的效果并不十分明顯。理論上講修正系數(shù)應(yīng)當(dāng)放在指數(shù)上，由于作者還沒(méi)有找到合適的指數(shù)修正公式，暫時(shí)用簡(jiǎn)單的乘以系數(shù)的方法進(jìn)行修正，雖不十分理想，但與不加修正的預(yù)測(cè)結(jié)果相比，已經(jīng)提高了預(yù)測(cè)的精度。

6．小結(jié)

礦井?dāng)嗔褬?gòu)造的斷距、延伸長(zhǎng)度與其頻度均呈分形分布，籍此可以得出斷裂斷距、長(zhǎng)度與條數(shù)的關(guān)系，從而達(dá)到斷裂構(gòu)造預(yù)測(cè)的目的。在斷裂的空間分布均勻的情況下，可以直接用得到的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行預(yù)測(cè)；如果斷裂分布不均勻，可以根據(jù)斷裂構(gòu)造發(fā)育規(guī)律，用斷裂網(wǎng)絡(luò)分維值加以修正，以提高預(yù)測(cè)精度。

參  考  文  獻(xiàn)

[1] 徐志斌, 王繼堯, 張大順, 謝和平, 煤礦斷層網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度的分維描述. 煤炭學(xué)報(bào), 1996(4): 358~363

[2] 徐志斌, 謝和平, 王繼堯, 分維－評(píng)價(jià)礦井?dāng)嗔褟?fù)雜程度的綜合性指標(biāo). 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1996(3): 11~15

[3] 王國(guó)華，王猛，崔新瑞，分形研究在唐山煤礦鐵三、鐵四區(qū)構(gòu)造預(yù)測(cè)中的應(yīng)用. 中國(guó)煤田地質(zhì) 2006(3)

[4] 林偉義，礦井地質(zhì)構(gòu)造預(yù)測(cè)的幾種現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)剖析. 能源與環(huán)境， 2011年(1)

[5] 溫建忠，成飛，大雁二礦五采區(qū)構(gòu)造分析及構(gòu)造預(yù)測(cè). 西部探礦工程 2011(4)